基于機(jī)載激光掃描儀的長城遺址大范圍制圖.pdf

1、為了有效保護(hù)散落于西部的古長城，政府部門啟動了國家科技支撐計劃“建立長城存在狀態(tài)的智能感知系統(tǒng)”的項目。本課題為該項目的重要組成部分，核心任務(wù)是建立長城的仿真三維數(shù)字模型。經(jīng)過對三維重建方法的充分調(diào)研，結(jié)合本課題的具體需求，選定基于小型無人機(jī)的機(jī)載激光測量系統(tǒng)完成任務(wù)。但是該系統(tǒng)的精度依賴于全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）和慣性測量系統(tǒng)（INS）提供的位置和姿態(tài)信息的準(zhǔn)確性。因此，民用GPS精度不高以及INS的累計誤差導(dǎo)致生成的模型嚴(yán)重失真，

2、成為該系統(tǒng)在實際應(yīng)用中遇到的重要問題。
　　針對該問題，此前研究的主要思路集中在根據(jù)在具體應(yīng)用環(huán)境中建立誤差模型、依托結(jié)構(gòu)性環(huán)境的環(huán)境特征或者人為設(shè)定有源標(biāo)簽等。結(jié)合本課題的應(yīng)用需求，本文試圖探索一種適用于在非結(jié)構(gòu)性、大范圍的戶外環(huán)境下的通用解決方案。為此，本文為無人機(jī)設(shè)計了“懸停-掃描-飛行”的運(yùn)動模式，并在其上搭載三維激光掃描儀以實現(xiàn)對其下方所覆蓋區(qū)域的掃描。針對獲取的數(shù)據(jù)，首先使用基于 ICP的掃描匹配算法從局部加以修正。本

3、文中對ICP算法做了適應(yīng)性的改進(jìn)，并設(shè)計了一個基于 ICP的掃描匹配算法框架。從而，在保證效果的前提下，自動完成了三維重建過程中的若干次點云匹配。之后，本文設(shè)計了基于三維激光測量數(shù)據(jù)的pose Graph-SLAM算法，在上述匹配算法的基礎(chǔ)上，引入了性能比較優(yōu)越的g2o優(yōu)化算法。結(jié)合自動檢測并剔除冗余位姿、閉環(huán)檢測算法等相關(guān)設(shè)計完成對整個三維模型的全局優(yōu)化調(diào)整，以獲得幾何一致性較好、較為真實的數(shù)字三維模型。
　　參考實際作業(yè)環(huán)境，

4、本文設(shè)計了模擬實驗以驗證上述解決方案的有效性。首先通過切削、加工搭建了一小、一大兩個仿真長城，以此為被測對象通過區(qū)域掃描的方式獲取激光點云數(shù)據(jù)以及含有誤差的位置和姿態(tài)信息。然后應(yīng)用基于 ICP的掃描匹配算法對相鄰激光點云進(jìn)行匹配，從局部初步校正數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上應(yīng)用pose Graph-SLAM算法對整個模型數(shù)據(jù)從全局角度調(diào)整修正。最終，在兩次模擬實驗中都獲得了一致性很好的三維模型，能夠反映真實被測對象的輪廓特征，驗證了本文所提算法的有效